摘 要

本文利用异质结太阳能电池模拟软件AFORS-HET对钙钛矿太阳能电池（PSCs）进行仿真，以B-γ-CsSnI₃作为PSCs的光吸收层，以TiO₂作为电子传输层，以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层，通过模拟，分析了光吸收层、界面态密度以及空穴传输层等各项参数对PSCs光电特性的影响。最终通过模拟优化，获得了以B-γ-CsSnI₃作为PSCs光吸收层的最佳光电转换效率：V_oc=1.082V，J_sc=26.47mA/cm²，FF=84.32%，PCE=24.15%，与传统的铅基PSCs相比效率相近。此外，还讨论了用ZnO代替TiO₂的可能性，优化后得到的PSCs的效率为24.5%。虽然相比于ZnO，TiO₂的效率略低，但考虑到ZnO的不稳定性及制备工艺，以及B-γ-CsSnI₃的无铅毒性，以TiO₂、B-γ-CsSnI₃制成的PSCs将拥有更好的应用前景，该仿真结果对实验具有一定的指导意义。

论文主要研究了以B-γ-CsSnI₃作为光吸收层的无机非铅钙钛矿太阳能电池的仿真，通过对不同物理参数的模拟优化得到一个最佳的光电转换效率。

研究结果表明：随光吸收层厚度的增加，PSCs的PCE会达到饱和，同时不同的界面态密度、以及Spiro-OMeTAD的空穴迁移率、掺杂浓度都会对PSCs的光电特性造成影响。最终，在光吸收层厚度为500nm，界面态密度为110¹¹cm^-2，空穴迁移率为0.0001cm²/V·s，掺杂浓度为310¹⁸cm^-3下，得到一个最佳的PCE为24.15%。以ZnO替代TiO₂可得到略高的PCE。

本文的特色：传统的PSCs的不稳定性和铅毒性制约了其商业化的脚步，通过用Sn² 代替Pb² ，Cs 代替CH₃NH₃ ，用CsSnI₃作为光吸收层制得的无机非铅PSCs获得了较高的转换效率。同时用ZnO替代TiO₂也获得了较高的转换效率。

关键词：钙钛矿太阳能电池；B-γ-CsSnI₃；非铅；AFORS-HET

Abstract

In this paper, perovskite solar cells (PSCs) are simulated by heterojunction solar cell simulation software AFORS-HET, using B-γ-CsSnI₃ as the light absorbing layer of PSCs, TiO₂ as the electron transport layer, and Spiro-OMeTAD as the hole transport layer, through the simulation, obtained the effects of different light absorption layer thickness, interface state density and hole transport layer parameters on the photoelectric characteristics of PSCs. Finally, through simulation optimization, the best photoelectric conversion efficiency with B-γ-CsSnI₃ as the PSCs light absorption layer is obtained: V_oc=1.082V, J_sc=26.47mA/cm², FF=84.32%, PCE=24.15%, which is similar to the efficiency of traditional lead-based PSCs. In addition, it is also discussed the use of ZnO instead of TiO₂. TThe efficiency of the optimized PSCs was 24.5%. Although the efficiency of TiO₂ is slightly lower than that of ZnO, considering the instability and preparation process of ZnO, and the lead-free toxicity of B-γ-CsSnI₃, PSCs made of TiO₂ and B-γ-CsSnI₃ will have better application prospects. The simulation results are instructive to the experiment.

This paper mainly studies the simulation of inorganic lead-free PSCs with B-γ-CsSnI₃ as the light absorption layer. Through the simulation and optimization of different physical parameters, an optimal photoelectric conversion efficiency is obtained.

The results show that as the thickness of the light absorption layer increases, the PCE of PSCs tends to saturate. At the same time, different interface state density, hole mobility and doping concentration of Spiro-OMeTAD will affect the output characteristics of PSCs. Finally, at the optical absorption layer thickness of 500 nm, the interface state density of 110¹¹ cm^-2, the hole mobility of 0.0001 cm²/V·s, and the doping concentration of 310¹⁸ cm^-3, an optimal PCE of 24.15% is obtained. Replacing TiO₂ with ZnO can get a slightly higher PCE.

The characteristics of this paper: the commercialization of traditional PSCs is limited by instability and lead toxicity. By using Sn² instead of Pb² and Cs instead of CH₃NH₃ , inorganic lead-free PSCs made with CsSnI₃ as the light-absorbing layer achieve higher conversion efficiency. At the same time, using ZnO instead of TiO₂ also obtains a higher conversion efficiency.

Key words：perovskite solar cell；B-γ-CsSnI₃；lead-free；AFORS-HET

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.2 太阳能电池概述 2

1.2.1 太阳能电池的工作原理 2

1.2.2 太阳能电池测试条件 3

1.2.3 太阳能电池的性能参数 4

1.3 钙钛矿太阳能电池概述 5

1.3.1 钙钛矿太阳能电池的发展历史 5

1.3.2 钙钛矿太阳能电池的结构及原理 5

1.3.3 钙钛矿太阳能电池输出性能的影响因素 6

1.4 无机非铅PSCs概述 7

1.4.1 无机非铅PSCs发展历程 7

1.4.2 无机非铅PSCs材料研究进展 7

1.5 本文研究内容 9

第2章 器件仿真模拟 10

2.1 仿真软件 10

2.2 AFORS-HET软件的物理模型 10

2.3 AFORS-HET软件的应用 11

2.3.1 B-γ-CsSnI₃钙钛矿太阳能电池模型的建立 11

2.3.2 B-γ-CsSnI₃钙钛矿太阳能电池仿真参数 12

第3章 钙钛矿太阳能电池的性能优化 15

3.1 光吸收层厚度对钙钛矿太阳能电池光电特性的影响 15

3.2 电子传输层与光吸收层之间界面态密度对PSCs光电特性的影响 16

3.3 空穴传输层对钙钛矿太阳能电池光电特性的影响 16

3.3.1 空穴迁移率对钙钛矿太阳能电池光电特性的影响 16

3.3.2 空穴传输层掺杂浓度对钙钛矿太阳能电池光电特性的影响 17

3.4 以ZnO作为电子传输层的钙钛矿太阳能电池仿真 19

第4章 总结与展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 选题背景与意义

近年来，全球各个国家对化石燃料的需求快速增长。然而化石燃料往往需要上百万年的时间才可形成，即为不可再生资源。由于化石燃料不断被大量消耗，也造成了化石能源的日益枯竭，加之其与环境的污染及全球变暖有着密切联系，因此寻找除化石燃料外，且循环可再生的绿色能源成为了全球可持续发展中不可或缺的环节之一。目前，太阳能、风能、水能、地热能、核能等多种可再生的绿色能源相继被提出并投入使用，缓解了部分能源紧张的问题，但往往需要投入大量资金制造设备，得到的能源却很少。其中，太阳能作为一种绿色能源不仅取之不尽，而且不受环境、地理因素的制约，也不会像化石燃料一样排放废气等污染环境，因此制备高效廉价的太阳能电池的研究也越来越受到人们的关注。

早在19世纪，“光生伏特”的现象就已经被法国物理学家A.E.贝克勒尔发现。最早的光电池由安托石-贝克雷尔制造，以Pb作为阳极，CuO作为阴极，硝酸铅溶液作为电解质，结构十分简单，当在太阳光下照射时，就会产生电流，后来由德国技术人员Werner-Siemens制造了第一个硒光电池。后来，光电池被称为太阳能电池。随着太阳能电池的发展，转换效率不断提高，逐步形成了商业化，可以提供照明或并入电网进行供电等，形成光伏发电系统，如图1.1所示。